CN104407041A - 一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法，预设正常重金属离子浓度阈值参数；采用电化学传感器采集离子电极产生的电压信号，进而得出膜电势；根据膜电势的实际值即可得出离子浓度，同时通过显示单元实时显示，将计算出的离子浓度与设定正常重金属浓度阈值进行对比，若超过正常浓度阈值，则控制报警单元发出警报，同时启动电动土壤修复装置。本发明能够实现对离子浓度的测量、显示和存储；本发明采用给土壤充电流，使土壤里的金属离子等向电极运输，然后对运输的金属离子进行集中收集处理，进而达到治污的目的。

Description

一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法

技术领域

本发明涉及一种自动检测方法，尤其涉及一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法，属于自动测量领域。

背景技术

随着工业化进程的不断加快和人口的持续增长，铅、铜、锌等重金属污染已成为全球性的问题。人类对重金属的开采、冶炼、加工及商业制造活动的日益增多，由意外泄露非法排放等原因引起的突发性水质重金属污染事故时有发生。重金属具有毒性大，在环境中不易被代谢，容易被生物富集并有生物放大效应等特点，不但会污染水环境，也会严重威胁人类和水生物的生存，有效准确的检测重金属浓度尤为重要。

农用土壤是受人类活动强烈影响的一类特殊土壤，其环境质量与人们的身体健康密切相关。土壤污染源主要来自工业“三废”和农药、化肥的大量使用，污染物可通过灌溉水进人土壤，也可通过大气污染、空中的颗粒物(含重金属和致癌物质等)干湿沉降造成土壤污染，随着时间的推移，农田表层土壤铅、铜、锌等重金属含量有增加的趋势。由于农作物的吸收作用，重金属元素从土壤中迁移转化到农作物根茎叶及果实中去，从而连带造成农作物的重金属污染，危及人们的健康水平。因此，如何快速而又简便地实现蔬菜生产基地土壤重金属含量的在线测量成为了一个至关重要的现实问题。

例如申请号为“201320688736.3”的一种区域水环境重金属监测系统，该系统包括监测管理系统和经GPRS与之相联的多个监测终端。监测管理系统中心处理器连接数据收发、数据分析处理和数据库管理模块，还连接显示器/用户终端，数据收发模块连接存储各监测终端的GPS、GIS以及相关重金属浓度的数据库。各监测终端的主控模块包括嵌入式处理器及时钟和GPRS子模块，检测模块包括温度传感器和重金属电化学传感器阵列。运行时监测终端所测水环境的温度和重金属浓度发送到监测管理系统存储并显示。数据分析处理模块将其与标准值和历史数据对比，当为污染水质或某种重金属浓度突升则报警。该系统在检测精度和方式上有待进一步提升。

又如申请号为“201410291064.1”的一种二次加样重金属离子浓度测试方法，包括如下步骤：对水样进行预处理；配制重金属离子浓度为Cs的标准样品溶液和电解液；电解槽中加入体积为V0的电解液，电解槽中加入体积为Vx的水样，从电流-电压曲线图a1上得到对应的峰高h1；电解液中加入体积为Vx的水样，从电流-电压曲线图a2上得到对应的峰高h2；电解槽中加入体积为Vs的标准样品，从电流-电压曲线图a3上得到对应的峰高h3；重金属离子浓度采用三点算法计算，得到重金属离子浓度Cx，并且计算平均误差。该发明解决峰高-浓度曲线不过坐标零点的问题，减少峰高-浓度曲线的非线性对测量结果的影响。该发明成本较高，操作复杂，在检测方式上有待进一步提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法，能够实现对离子浓度的测量、显示和存储，进而达到治污的目的。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法，具体包含如下步骤：

步骤1，预设正常重金属离子浓度阈值参数；

步骤2，采用电化学传感器采集离子电极产生的电压信号，进而得出膜电势；

步骤3，根据膜电势的实际值即可得出离子浓度，同时通过显示单元实时显示，具体为：

$E_M=E_0+\frac{\mathrm{RT}}{Z_{i}F}\log a_i;$

其中：其中：E_M为膜电势；R为气体常数；E₀为初始电势，T为绝对温度；F为法拉第常数；Z_i为离子电荷数；a_i为待测离子活度；

步骤4，将步骤3计算出的离子浓度与设定正常重金属浓度阈值进行对比，若超过正常浓度阈值，则控制报警单元发出警报，同时通过给土壤充电流，使土壤里的金属离子等向电极运输，然后对运输的金属离子进行集中收集处理。

作为本发明一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法的进一步优选方案，在步骤2中，所述电化学传感器为离子选择性电极。

作为本发明一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法的进一步优选方案，在步骤3中，所述显示单元为LCD显示屏。

作为本发明一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法的进一步优选方案，所述报警单元为声光报警单元。

作为本发明一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法的进一步优选方案，所述声光报警单元包含LED灯和喇叭。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明方法简单、易于实现且能够自动测量物体的宽和高，节省了人力；

2、本发明能够根据根据离子浓度检测单元采集的电压信号进行计算处理得出离子浓度；即根据能斯特方程得出离子浓度和膜电位的对应的关系进而通过检测电压信号得出重金属离子浓度；

3、本发明能够实现对离子浓度的测量、显示和存储；

4、本发明采用给土壤充电流，使土壤里的金属离子等向电极运输，然后对运输的金属离子进行集中收集处理，进而达到治污的目的。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法，具体包含如下步骤：

步骤1，预设正常重金属离子浓度阈值参数；

步骤2，采用电化学传感器采集离子电极产生的电压信号，进而得出膜电势；

步骤3，根据膜电势的实际值即可得出离子浓度，同时通过显示单元实时显示，具体为：

$E_M=E_0+\frac{\mathrm{RT}}{Z_{i}F}\log a_i$

其中：其中：E_M为膜电势；R为气体常数；E₀为初始电势，T为绝对温度；F为法拉第常数；Z_i为离子电荷数；a_i为待测离子活度；

步骤4，将步骤3计算出的离子浓度与设定正常重金属浓度阈值进行对比，若超过正常浓度阈值，则控制报警单元发出警报，同时通过给土壤充电流，使土壤里的金属离子等向电极运输，然后对运输的金属离子进行集中收集处理。

其中，在步骤2中，所述电化学传感器为离子选择性电极，在步骤3中，所述显示单元为LCD显示屏，所述报警单元为声光报警单元，所述声光报警单元包含LED灯和喇叭。

一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法涉及的控制中心为AVR单片机，其具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行；多累加器型，数据处理速度快；AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行；中断响应速度快。AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断；AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备；有的器件最低1.8V即可工作；AVR单片机保密性能好。

一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法。该系统基于离子选择膜技术，利用电势测定法研究ISE的电化学响应性能，并结合一元线性回归建立电极电势与离子浓度的数学模型。基于AVR单片机和AD620运放器，设计了硬件检测电路和检测程序，实现了对离子浓度的测量、显示和存储等操作。本发明采用给土壤充电流，使土壤里的金属离子等向电极运输，然后对运输的金属离子进行集中收集处理，进而达到治污的目的。

离子浓度检测单元的原理：离子选择性电极是一种电势型电化学传感器，离子选择性电极的关键部分是离子选择膜，在离子选择膜上不会发生电子得失，但由于存在离子浓度差异，在离子选择膜的两侧表面上会发生离子交换，形成浓差膜电势，膜电势与待测溶液中的特定离子浓度服从能斯特方程如下：

$E_M=\frac{\mathrm{RT}}{Z_{i}F}\log \frac{a_i}{a_j}$

能斯特方程即为离子选择性电极的工作原理。由于离子选择性电极内参溶液的离子活度a_j保持恒定，因此膜电势可以表示为：

$E_M=E_0+\frac{\mathrm{RT}}{Z_{i}F}\log a_i$

式中：E_M为膜电势(V)；R＝8.314J/(K·mol)为气体常数；E₀为初始电势，T＝t+273.15为绝对温度(K)；F为法拉第常数(96487c/mol)；Z_i为离子电荷数；a_i为待测离子活度，这样膜电位就成为离子浓度对数的函数。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法，其特征在于：具体包含如下步骤：

步骤1，预设正常重金属离子浓度阈值参数；

步骤2，采用电化学传感器采集离子电极产生的电压信号，进而得出膜电势；

步骤3，根据膜电势的实际值即可得出离子浓度，同时通过显示单元实时显示，具体为：

$E_M=E_0+\frac{\mathrm{RT}}{Z_{i}F}\log a_i$

其中：其中：E_M为膜电势；R为气体常数；E₀为初始电势，T为绝对温度；F为法拉第常数；Z_i为离子电荷数；a_i为待测离子活度；

步骤4，将步骤3计算出的离子浓度与设定正常重金属浓度阈值进行对比，若超过正常浓度阈值，则控制报警单元发出警报，同时通过给土壤充电流，使土壤里的金属离子等向电极运输，然后对运输的金属离子进行集中收集处理。

2.根据权利要求1所述的一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法，其特征在于：在步骤2中，所述电化学传感器为离子选择性电极。

3.根据权利要求1所述的一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法，其特征在于：在步骤3中，所述显示单元为LCD显示屏。

4.根据权利要求1所述的一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法，其特征在于：所述报警单元为声光报警单元。

5.根据权利要求4所述的一种土壤重金属离子浓度自动检测及修复方法，其特征在于：所述声光报警单元包含LED灯和喇叭。